某發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)鋼索斷裂故障分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

范 昱，李子昂，雷 波，黃金海，劉寧泉，張向前，付細(xì)能

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)用以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)一系列與速度、高度、功率狀態(tài)等有關(guān)的參數(shù)，以及相互關(guān)聯(lián)的各種參數(shù)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作以達(dá)到所規(guī)定的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能，并防止發(fā)動(dòng)機(jī)在各種環(huán)境條件下和整個(gè)工作包線內(nèi)超過它的任一極限值[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)的可靠性直接影響飛行安全，在設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核與仿真之后，耐久試驗(yàn)是研制過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)之一，該試驗(yàn)的考核目的是驗(yàn)證產(chǎn)品的使用壽命是否能滿足飛機(jī)首翻期內(nèi)的使用需求。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)方案簡(jiǎn)介

為進(jìn)一步改善座艙發(fā)動(dòng)機(jī)操縱的人機(jī)功效及系統(tǒng)剛性，某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)相對(duì)原型機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用軟式鋼索傳動(dòng)，代替原來的多連桿硬式傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油門手柄的線性運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到改善人機(jī)功效及系統(tǒng)剛性的目的。

線性直推式發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)主要由前艙油門操縱臺(tái)、離合裝置、后艙油門操縱臺(tái)、角位移傳感器（集成于后艙油門臺(tái)）、鋼索等組成。如圖1。

圖1 某發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)組成示意圖

2 問題現(xiàn)象

某發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)發(fā)生一處鋼索斷裂，如圖2所示，該鋼索連接離合裝置和后艙油門操縱臺(tái)左發(fā)手柄滑塊。

圖2 斷裂鋼索處

3 故障分析及定位

3.1 第一級(jí)故障樹及分析

根據(jù)人、機(jī)、料、法等各環(huán)節(jié)，對(duì)連接鋼索斷裂的問題進(jìn)行故障樹分析，確定一級(jí)故障樹，如圖3。

圖3 鋼索斷裂故障樹

針對(duì)故障樹中的5個(gè)事件進(jìn)行排查。

＞事件X1：裝配不正確

調(diào)查產(chǎn)品結(jié)果如下：

1）產(chǎn)品出廠前通過了功能、性能檢查，并開具了產(chǎn)品合格證；

2）產(chǎn)品在試驗(yàn)前安裝調(diào)試時(shí)，由產(chǎn)品主管設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)人員確認(rèn)了裝配、安裝正確；

3）試驗(yàn)臺(tái)架上產(chǎn)品的安裝孔位采用三維紅外定位打孔，孔位尺寸精度高，試驗(yàn)臺(tái)架具有合格證；

4）產(chǎn)品按機(jī)上實(shí)際定位要求1：1安裝在試驗(yàn)臺(tái)架，系統(tǒng)功能正常；

因此，可排除事件X1。

＞事件X2：鋼索質(zhì)量問題

經(jīng)調(diào)查，本批產(chǎn)品裝配使用的鋼索、鋼索收接頭、鋼球及使用情況如下：

1）鋼索為6x7-2.15+IWS（金屬股芯繩）航空用鋼絲繩（YB5197-1993），材料為碳素鋼；

2）在使用該鋼索收球頭和螺栓接頭前，按照HB5-16-83《帶接頭的鋼絲繩技術(shù)》條件，取鋼索破壞載荷的50%進(jìn)行預(yù)先拉伸，每次拉伸1分鐘，鋼索沒有斷絲；

3）收完接頭、鋼球后，所有鋼索均做重復(fù)拉伸試驗(yàn)，所用載荷為鋼索破壞力的50%，時(shí)間為5分鐘，鋼絲繩沒有斷絲；

4）本批帶接頭的鋼索100%進(jìn)行了外觀檢查和尺寸測(cè)量，并且還抽取了3根帶接頭鋼索按HB5-12-83中的規(guī)定載荷進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上，鋼索及鋼索組件質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此排除事件X2。

＞事件X3：操作不正確

試驗(yàn)臺(tái)架的安裝與實(shí)際使用情況保持一致。試驗(yàn)時(shí)由專業(yè)人員按照試驗(yàn)大綱進(jìn)行操作，并由產(chǎn)品主管設(shè)計(jì)陪同，未出現(xiàn)野蠻操作等現(xiàn)象，因此，可排除事件X3。

＞事件X4：鋼索強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)需求

如圖6所示，手柄與鋼索固連，飛行員操作手柄前、后移動(dòng)時(shí)，手柄帶動(dòng)鋼索移動(dòng)，鋼索通過滑輪改變運(yùn)動(dòng)方向，再經(jīng)過離合裝置換向，形成一個(gè)回路，鋼索與滑輪之間為滾動(dòng)摩擦。應(yīng)用NX NASTRAN（NX NASTRAN源于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的結(jié)構(gòu)分析軟件NASTRAN，經(jīng)過40多年的發(fā)展已經(jīng)成為世界上著名的有限元求解程序之一，在世界范圍內(nèi)擁有廣泛的用戶群體）對(duì)鋼索受力開展仿真工作如下：

1）設(shè)定約束條件

＞根據(jù)有關(guān)國(guó)軍標(biāo)的要求，單發(fā)油門手柄操縱力應(yīng)不大于3.5kgf，在分析時(shí)將操作力設(shè)為4kgf。

＞鋼索張緊力設(shè)為10kgf，該經(jīng)驗(yàn)值來源于國(guó)內(nèi)某成熟三代機(jī)。

＞鋼索與滑輪滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.2。

2）建立有限元模型

對(duì)設(shè)計(jì)三維數(shù)模進(jìn)行處理，提取用于仿真的零部件，即鋼索和滑輪，如圖4所示。

3）設(shè)置材料屬性

按表1，對(duì)鋼索、滑輪應(yīng)用材料屬性、單元屬性。

圖4 有限元網(wǎng)格劃分

表1 仿真材料屬性設(shè)置

4）定義接觸關(guān)系、載荷、約束等邊界條件

張緊力、驅(qū)動(dòng)力載荷如圖5，滑輪除繞軸心旋轉(zhuǎn)的自由度外，其它自由度固定。

圖5 張緊力、驅(qū)動(dòng)力載荷定義

5）解算靜強(qiáng)度

通過NX NASTRAN仿真分析結(jié)果顯示，鋼索最大應(yīng)力值為335.34MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，如圖6。最大應(yīng)力的位置如圖7。

圖6 仿真分析結(jié)果

圖7 最大應(yīng)力位置

因此，可以排除事件X4。

＞事件X5：鋼索疲勞失效

發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)鋼索的張緊力值約為10kgf，是借鑒國(guó)內(nèi)某成熟機(jī)型的經(jīng)驗(yàn)值，推、拉油門手柄的力經(jīng)測(cè)量約為4kgf（單個(gè)油門手柄），同時(shí)，鋼索是在600個(gè)循環(huán)周期左右發(fā)生斷裂的，符合“疲勞破壞發(fā)生在遠(yuǎn)低于破壞載荷時(shí)發(fā)生破壞”的規(guī)律，因此，需進(jìn)一步分析疲勞失效的原因。

3.2 第二級(jí)故障樹及分析

為進(jìn)一步分析鋼索疲勞失效的影響因素，走訪國(guó)內(nèi)鋼索研制廠家得知，主要因素有：鋼索與滑輪直徑比、鋼索在滑輪上的包角、鋼索張緊力和鋼索扭轉(zhuǎn)及二次彎曲，轉(zhuǎn)化為故障樹，如圖8。

圖8 鋼索疲勞失效故障樹

針對(duì)故障樹中的4個(gè)事件進(jìn)行分析。

＞事件X1：鋼索與滑輪直徑比過小

鋼索在系統(tǒng)中的走向分布情況如圖9～圖11。

圖9 后艙油門臺(tái)左手柄鋼索走向分布

圖10 后艙油門臺(tái)右手柄鋼索走向分布

圖11 后艙油門臺(tái)左手柄鋼索回路在離合裝置中的走向分布

1）鼓輪與鋼索的直徑比分析

鼓輪用于固定鋼索并傳遞鋼索運(yùn)動(dòng)，鋼索接頭固定在鼓輪槽中某一點(diǎn)以便傳遞鋼索系統(tǒng)的載荷，離合裝置內(nèi)共有4個(gè)尺寸相同的鼓輪，鼓輪槽底直徑∮74.45，鼓輪與鋼索直徑比為74.45÷2.15=34.6,鋼索使用載荷÷鋼索破壞載荷=190N÷3800N=0.05,與飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦要求相比，鼓輪與鋼索的直徑比大于鋼索研制廠家推薦的經(jīng)驗(yàn)值20，鼓輪直徑對(duì)本次故障的影響較小。

2）導(dǎo)向輪與鋼索的直徑比分析

導(dǎo)向輪用于改變鋼索走向。某發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)共有28個(gè)尺寸相同的鋁合金導(dǎo)向輪，輪槽底直徑∮22，導(dǎo)向輪與鋼索直徑比為22÷2.15=10.2,小于鋼索研制廠家推薦的經(jīng)驗(yàn)值20，是導(dǎo)致鋼索疲勞失效的可能原因。

為驗(yàn)證該因素，某發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)改用∮1.8的鋼索進(jìn)行試驗(yàn)（其它條件不變），進(jìn)行了5組試驗(yàn)，試驗(yàn)情況見表2。

表2 鋼索與滑輪直徑比對(duì)鋼索疲勞壽命影響的驗(yàn)證（直徑比由10.2增大到12.2）

由表2數(shù)據(jù)可以看出，在增加滑輪與鋼索直徑比后，鋼索壽命有大幅提高。

＞事件X2：鋼索在滑輪上的包角過大

滑輪包角是指滑輪上與鋼索相切兩點(diǎn)之間的角度，如圖12，包角過大影響鋼索壽命和系統(tǒng)摩擦力；包角越小對(duì)鋼索壽命影響越小及系統(tǒng)摩擦力越小，在滿足系統(tǒng)傳動(dòng)要求的前提條件下應(yīng)盡量減小滑輪包角。相關(guān)資料只有關(guān)于包角的定性說明，沒有包角與鋼索壽命及摩擦力的量化推薦值，鋼索研制廠家也無可借鑒的定量經(jīng)驗(yàn)，因此，在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少包角。

＞事件X3：鋼索張緊力過大

圖12 包角定義

鋼索張緊是為了消除系統(tǒng)空行程和從一定程度上防止鋼索從輪槽中脫出，張緊力的確定應(yīng)綜合考慮鋼索直徑、長(zhǎng)度、跨度等因素，但張緊力的大小在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中沒有可以參考的定量要求，某發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)使用的張緊力是參照國(guó)內(nèi)某三代機(jī)的成熟經(jīng)驗(yàn)值，該型機(jī)已具備大量使用經(jīng)驗(yàn)，因此，張緊力值合理。

＞事件X4：鋼索扭轉(zhuǎn)及二次彎曲

扭轉(zhuǎn)指鋼索受到外力而使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)；次彎曲指鋼索受壓的一側(cè)，在經(jīng)過另外的滑輪時(shí)又受拉的情況，二次彎曲對(duì)鋼索使用壽命有較大影響。經(jīng)分析，離合裝置的分鋼索存在扭轉(zhuǎn)及二次彎曲，如圖13所示，前艙油門臺(tái)與離合裝置連接的鋼索（圖中為綠色）在71mm范圍內(nèi)通過中心軸線不共面、不平行的3個(gè)導(dǎo)向滑輪；后艙油門臺(tái)與離合裝置連接的鋼索（圖中為紅色）在110mm范圍內(nèi)連續(xù)通過中心軸線不共面、不平行的4個(gè)導(dǎo)向滑輪，該處鋼索承受扭轉(zhuǎn)及二次彎曲最嚴(yán)酷，耐久試驗(yàn)時(shí)鋼索斷裂就發(fā)生在此處（如圖2和圖7）。

圖13 離合裝置內(nèi)鋼索二次彎曲及扭轉(zhuǎn)（導(dǎo)向滑輪上的數(shù)值為包角）

3.3 故障原因定位

鋼索斷裂的主要原因是導(dǎo)向滑輪與鋼索直徑比較?。煌瑫r(shí)鋼索存在扭轉(zhuǎn)及二次彎曲。

4 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)導(dǎo)向滑輪與鋼索直徑比較小、存在扭轉(zhuǎn)及二次彎曲的原因，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要包括以下幾點(diǎn)：

1）加大導(dǎo)向滑輪直徑，操縱臺(tái)結(jié)構(gòu)作相應(yīng)更改；

2）改進(jìn)結(jié)構(gòu)，取消部分導(dǎo)向滑輪，以消除鋼索的扭轉(zhuǎn)及二次彎曲應(yīng)力；

3）更改導(dǎo)向滑輪及鋼索材料；

4.1 加大導(dǎo)向滑輪直徑，操縱臺(tái)結(jié)構(gòu)作相應(yīng)更改

為提高導(dǎo)向滑輪與鋼索直徑比，對(duì)包角較大的導(dǎo)向滑輪：前艙油門臺(tái)導(dǎo)向滑輪由原來兩個(gè)∮22更改為一個(gè)∮68，滑輪與鋼索直徑比由22÷1.8=12.2，提高到68÷1.8=37.8；后艙油門臺(tái)左、右手柄的導(dǎo)向滑輪由原來兩個(gè)∮22另更改為左手柄一個(gè)∮73.2，右手柄一個(gè)∮83.7，左手柄鋼索提高到 73.2÷1.8=40.7，右手柄鋼索提高到83.7÷1.8=46.5。材料由鋁合金改為酚醛縮合物浸漬的纖維織物滑輪，改進(jìn)后滑輪與鋼索直徑均高于推薦的經(jīng)驗(yàn)值20。見圖14、圖15。

圖14 前艙油門臺(tái)鋼索導(dǎo)向輪更改情況

圖15 后艙油門臺(tái)鋼索導(dǎo)向輪更改情況

對(duì)于包角較小的導(dǎo)向滑輪，滑輪直徑由∮22鋁合金滑輪更改為∮38.6醛縮合物浸漬的纖維織物滑輪，滑輪與鋼索直徑比由12.2，提高到38.6÷1.8=21.4，包角也減少到17度，見圖16。

圖16 小包角導(dǎo)向滑輪更改情況

4.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)，取消部分導(dǎo)向滑輪

前艙油門臺(tái)與離合裝置連接的鋼索原來通過3個(gè)導(dǎo)向滑輪，通過優(yōu)化鋼索走向后，取消2個(gè)導(dǎo)向滑輪，改進(jìn)為只通過一個(gè)導(dǎo)向滑輪，見圖17。

圖17 前艙油門臺(tái)與離合裝置鋼索連接更改情況

后艙油門臺(tái)與離合裝置連接的鋼索由原來通過4個(gè)導(dǎo)向滑輪，通過優(yōu)化鋼索走向后，取消3個(gè)導(dǎo)向滑輪，改進(jìn)為只通過一個(gè)導(dǎo)向滑輪，見圖18。

4.3 更改導(dǎo)向滑輪及鋼索材料

鋼索材料和導(dǎo)向滑輪材料更改見表3。

圖18 DCT-8與DCL-3鋼索連接更改情況

表3 材料更改表

5 改進(jìn)方案耐久試驗(yàn)驗(yàn)證

將改進(jìn)后的產(chǎn)品安裝到原試驗(yàn)臺(tái)架，在相同的測(cè)試條件下，取5套鋼索樣本，進(jìn)行耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，每套產(chǎn)品均可完成220000個(gè)循環(huán)且鋼索不產(chǎn)生斷絲，該值遠(yuǎn)大于產(chǎn)品協(xié)議中要求的“112500個(gè)工作循環(huán)（不少于2套鋼索）”。

6 結(jié)語

某發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)耐久試驗(yàn)中，鋼索斷裂的主要原因是導(dǎo)向滑輪與鋼索直徑比較小，同時(shí)，鋼索存在扭轉(zhuǎn)及二次彎曲。改進(jìn)方案通過耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足技術(shù)要求，自2013年產(chǎn)品開始批量裝機(jī)，歷經(jīng)5年的多地內(nèi)、外場(chǎng)使用，鋼索未出現(xiàn)斷絲、斷裂故障。